WO2019050146A1 - 광자 검출 장치 및 광자 검출 방법 - Google Patents

광자 검출 장치 및 광자 검출 방법 Download PDF

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박찬용
백수현
박철우
조석범
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에스케이텔레콤 주식회사
주식회사 우리로
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Definitions

  • the present invention relates to a photon detection apparatus and a photon detection method, and more particularly to a photon detection apparatus and a photon detection method having high light detection efficiency.
  • Quantum cryptography communication technology has been developed in accordance with the advancement of information and communication technology.
  • the technology of detecting a weak optical signal at a single photon level is increasing in importance.
  • a single photon detector is used to detect a weak optical signal such as a single photon.
  • An Avalanche Photo Diode is mainly used as a light receiving element of such a single photon detection device.
  • an avalanche signal may be generated by the avalanche photodiode.
  • the avalanche signal generated by the avalanche photodiode is not larger than the electrostatic capacitive response signal of the avalanche photodiode, it is difficult to acquire (or detect) the avalanche signal only.
  • the single photon detection device fails to detect the avalanche signal, it may fail to detect a weak optical signal such as a single photon.
  • An object of the present invention is to provide a photon detection device and photon detection method having high photon detection efficiency.
  • a photon detection apparatus including a first photodetector receiving a gate signal and outputting a first signal; A second light receiving unit receiving the gate signal and outputting a second signal; And a determination unit determining whether a photon is received based on a first signal received from the first light receiving unit and a second signal received from the second light receiving unit.
  • the breakdown voltage of the first light receiving unit, on which photons are received may be lower than the breakdown voltage of the second light receiving unit.
  • the gate signal may be maintained at a first voltage during the activation period, and may be maintained at a second voltage lower than the first voltage during the remaining inactive periods except for the activation period.
  • the first voltage may be higher than a breakdown voltage of the first light receiving portion, lower than a breakdown voltage of the second light receiving portion, or higher than a breakdown voltage of the first light receiving portion and a breakdown voltage of the second light receiving portion.
  • the determination unit may determine whether a photon is received based on a signal generated by combining the first signal with the phase-inverted signal of the second signal.
  • the first signal may include a signal due to the reception of the photon and a signal caused by the first light-receiving unit
  • the second signal may include a signal due to the second light-receiving unit
  • the signal due to the first light receiving portion may be a first electrostatic capacitive response signal due to the electrostatic capacitance of the first light receiving portion
  • the signal due to the second light receiving portion may be a signal due to the capacitance of the second light receiving portion
  • the first capacitive response signal may be a second capacitive response signal
  • the first capacitive response signal may be substantially the same as the second capacitive response signal.
  • the amplification layer included in the first light receiving section and the amplification layer included in the second light receiving section may have different thicknesses.
  • the amplification layer included in the second light receiving portion may have a greater thickness than the amplification layer included in the first light receiving portion.
  • the amplification layer included in the first light-receiving unit and the amplification layer included in the second light-receiving unit may have different diameters.
  • the amplification layer included in the second light receiving unit may have a larger diameter than the amplification layer included in the first light receiving unit.
  • the first light receiving portion and the second light receiving portion may include a substrate.
  • the first light receiving portion and the second light receiving portion may be located on the first surface of the substrate.
  • it may further include a blocking film located on the second side of the substrate facing the first side of the substrate.
  • the blocking layer may include a through hole located corresponding to the first light receiving portion.
  • it may further include an anti-reflection film positioned in the transmission hole.
  • the first surface of the substrate may include a first region and a second region that are separated by element isolation grooves between the first light receiving portion and the second light receiving portion, and the first light receiving portion includes a first region And the second light receiving portion may be located in the second region.
  • a photon detection method includes: receiving a first signal according to a supply of a gate signal from a first light receiving unit having photons received and having a first breakdown voltage; Receiving a second signal corresponding to the gate signal supply from a second light-receiving portion having a second breakdown voltage higher than the first breakdown voltage; And determining whether the photon is received based on the first signal and the second signal.
  • the gate signal may be maintained at a first voltage during an activation period, and may be maintained at a second voltage higher than the first voltage during a remaining inactivation period except for the activation period.
  • the first voltage may be higher than the breakdown voltage of the first light receiving section, lower than the breakdown voltage of the second light receiving section, or higher than the breakdown voltage of the first light receiving section and the breakdown voltage of the second light receiving section .
  • the determining whether the photon is received based on the first signal and the second signal may include determining whether the photon is received based on a signal generated by synthesizing the second signal with the first signal, Can be determined.
  • the photon detection apparatus and the photon detection method according to the present invention can achieve the effect of detecting photons with high photon detection efficiency.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a photon detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a waveform of a gate signal outputted from the gate signal generating unit of FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing a waveform of a first signal output from the first light receiving unit.
  • 4A and 4B are diagrams for explaining the operation of the differential portion of FIG.
  • FIG. 5 is a view for explaining the magnitude of amplification of avalanche according to gate signals applied to first and second light receiving portions having different breakdown voltages.
  • FIG. 6 is a characteristic curve showing a change in the breakdown voltage according to the thickness of the amplification layer of the Avalanche photodiode.
  • FIG. 7A is a view showing a cross-sectional structure of the light-receiving portion of FIG. 1 of the present invention.
  • FIG. 7B is a plan view of the first amplification layer and the second amplification layer when the light receiving portion is viewed in the direction of the arrow shown in Fig. 7A.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a photon detection method according to an embodiment of the present invention.
  • spatially relative “below”, “beneath”, “lower”, “above”, “upper” May be used to readily describe a device or a relationship of components to other devices or components.
  • Spatially relative terms should be understood to include, in addition to the orientation shown in the drawings, terms that include different orientations of the device during use or operation. For example, when inverting an element shown in the figures, an element described as “below” or “beneath” of another element may be placed “above” another element.
  • the exemplary term “ below” can include both downward and upward directions.
  • the elements can also be oriented in different directions, so that spatially relative terms can be interpreted according to orientation.
  • a part when a part is connected to another part, it includes not only a direct connection but also a case where the part is electrically connected with another part in between. Further, when a part includes an element, it does not exclude other elements unless specifically stated to the contrary, it may include other elements.
  • first, second, third, etc. in this specification may be used to describe various components, but such components are not limited by these terms. The terms are used for the purpose of distinguishing one element from another.
  • first component may be referred to as a second or third component, and similarly, the second or third component may be alternately named.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a photon detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the photon detection apparatus includes a light receiving unit (APD), a gate signal generation unit 102, and a determination unit 105.
  • APD light receiving unit
  • gate signal generation unit 102 generation unit
  • determination unit 105 determination unit
  • the light receiving unit APD includes a first light receiving unit APD1 and a second light receiving unit APD2.
  • the first light receiving unit APD1 may include an Avalanche photodiode, but is not limited thereto and may include a device for detecting photons.
  • the first light receiving unit APD1 may be an Avalanche photodiode.
  • the second light receiving unit APD2 may include an Avalanche photodiode, but is not limited thereto and may include an element for detecting photons.
  • the second light receiving portion APD2 may be an Avalanche photodiode.
  • the first light receiving portion APD1 is connected to the second light receiving portion APD2 in parallel.
  • the first light-receiving unit APD1 may include a cathode electrode and an anode electrode, respectively.
  • the anode electrode of the first light receiving unit APD1 is connected to the second node n2 and the anode electrode of the second light receiving unit APD2 is connected to the third node n3.
  • the first node n1 is connected to the gate signal generator 102.
  • the second node n2 is connected to the resistor R1.
  • the second node n2 may be connected to one terminal of the resistor R1.
  • the other terminal of the resistor R1 is connected to the ground.
  • the third node n3 is connected to the resistor R2.
  • the third node n3 may be connected to one terminal of the resistor R3.
  • the other terminal of the resistor R2 is connected to the ground.
  • the gate signal generator 102 outputs a gate signal GS in the form of a square wave.
  • the gate signal generator 102 may output a gate signal GS in the form of a pulse or a sine wave.
  • the gate signal GS output from the gate signal generating unit 102 is supplied to the first light receiving unit APD1 and the second light receiving unit APD2.
  • the gate signal GS output from the gate signal generator 102 may be applied to the first light-receiving unit APD1 and the second light-receiving unit APD2, respectively, through the first node n1.
  • the gate signal GS output from the gate signal generating unit 102 is applied to the cathode electrode of the first light receiving unit APD1 and the cathode electrode of the second light receiving unit APD2 through the first node n1 .
  • At least one of the first light receiving unit APD1 and the second light receiving unit APD2 operates in a gated Geiger mode (Geiger mode) by the gate signal GS from the gate signal generating unit 102 .
  • the gate signal generator 102 includes a DC voltage source 112 and a pulse generator 111.
  • the DC voltage source 112 provides the DC voltage Vdc, and the pulse generating unit 111 generates the pulse PS.
  • the DC voltage source 112 may provide a bias voltage with a DC voltage Vdc.
  • the gate signal GS generated by the gate signal generator 102 may be a pulse PS swinging with respect to the DC voltage Vdc.
  • FIG. 2 is a diagram showing the waveform of the gate signal GS output from the gate signal generator 102 of FIG.
  • the gate signal GS is maintained at the first voltage (Vgh) during the activation period Ta and during the rest of the inactive period Tna except for the activation period Ta, Vgl).
  • the gate signal GS is maintained at a first voltage (Vgh) higher than the direct-current voltage during the activation period (Ta), and a second voltage (Vgh) lower than the first voltage Vgl).
  • the second voltage Vgl of the gate signal GS may correspond to the DC voltage Vdc described above, that is, the bias voltage.
  • V G in Fig. 2 means the amplitude of the gate signal GS. 2 is the absolute value of the difference voltage between the breakdown voltage VB and the first voltage Vgh of the gate signal GS.
  • the differential voltage? V means an over bias voltage.
  • Tg in Fig. 2 means one period of the gate signal GS.
  • Light from the outside is incident on the light receiving portion APD in the above-described activation period Ta.
  • photons may be incident on the light receiving unit APD from the light source in the activation period Ta.
  • the photon is incident on only one of the first light receiving unit APD1 and the second light receiving unit APD2.
  • the photon may be incident on the first light-receiving section APD1 and not on the second light-receiving section APD2.
  • the first light receiving unit APD1 receiving the photon is defined as the main light receiving unit APD
  • the second light receiving unit APD2 not receiving the photon can be defined as the auxiliary light receiving unit APD.
  • the photons from the outside can be controlled to be incident on the first light receiving section APD1 in the activation period Ta in which the gate signal GS is maintained at the first voltage Vgh.
  • the first voltage Vgh is higher than the breakdown voltage VB of the first light receiving portion APD1.
  • the first voltage Vgh is applied to the first light receiving unit APD1, the first light receiving unit APD1 operates in the Geiger mode. In other words, during the activation period Ta, the first light receiving section APD1 operates in the Geiger mode.
  • the gate signal GS may have a frequency of from tens of megahertz (MHz) to several gigahertz (GHz).
  • the avalanche photodiode i.e., the first light receiving portion APD1
  • the threshold voltage e.g., about 1.0 V
  • the reverse bias is higher than the breakdown voltage and photon detection can be performed.
  • the Avalanche photodiode can detect photons even when the reverse bias is below the breakdown voltage. However, when the reverse bias is below the breakdown voltage, it has low gain and linear photon detection characteristics. That is, the avalanche photodiode produces a photocurrent proportional to the number of photons incident.
  • avalanche photodiodes lose linear photodetecting properties in Geiger mode.
  • the Avalanche photodiode provides a large gain instead of losing its linear characteristics.
  • avalanche photodiode In Geiger mode, avalanche photodiode can theoretically detect a single photon and generate it as photocurrent.
  • the photocurrent generated by the Avalanche photodiode in the Geiger mode is called the Geiger current.
  • the Avalanche photodiode may output the same signal as when the photon is detected even when there is no photon incident from the outside.
  • a detection ratio is called a Dark Count Probability pre-gate (DCP) .
  • the dark current of the avalanche photodiode expressed by the dark factor can be expressed as follows: the first is the generation of electron-hole pairs by thermal excitation, the second is the current generation due to the tunnel effect in the depletion region, and the third is the charge Is trapped, and is then arrested by the next reverse bias.
  • the charge carriers remaining inside the avalanche photodiode generate avalanche when the next gate signal GS is applied to the avalanche photodiode. This phenomenon is called an after pulse noise effect.
  • the after-pulse noise is a factor in reducing the signal-to-noise ratio in quantum information communication and obstructing the high-speed operation of photon detection, it is desirable to reduce the probability of occurrence of the after-pulse as much as possible.
  • the Avalanche photodiode When the first voltage (Vgh) of the gate signal (GS) is applied to the cathode electrode of the Avalanche photodiode, the Avalanche photodiode is turned on, and the signal from the anode electrode of the turned-on Avalanche photodiode Is output.
  • This signal contains a capacitive response signal due to the inherent capacitance of the avalanche photodiode.
  • This capacitive response signal acts as a background signal for the avalanche signal.
  • a signal (hereinafter referred to as a first signal) output from a photodetector and a first light receiving section APD1 supplied with a first voltage Vgh is supplied with an avalanche signal and a capacitance of the first light receiving section APD1 (Hereinafter referred to as a first electrostatic capacitive response signal).
  • a signal (hereinafter, referred to as a second signal) output from the second light receiving section APD2 supplied with the first voltage Vgh is supplied to a second capacitance Cp corresponding to the capacitance of the second light receiving section APD2 Response signal). That is, unlike the first light receiving unit APD1, the second light receiving unit APD2 which does not receive the photon does not output the avalanche signal but outputs only the second electrostatic capacitive response signal.
  • FIG. 3 is a diagram showing the waveform of the first signal S1 output from the first light receiving unit APD1.
  • the first signal S1 includes an avalanche signal Av and a first capacitive response signal Cp1. That is, since the photon and the gate signal GS are applied to the first light-receiving unit APD1, the first signal S1 output from the first light-receiving unit APD1 is supplied with the avalanche signal Av and the first electro- (Cp1).
  • the second signal from the second light receiving portion APD2 includes the second electrostatic capacitive response signal. That is, as described above, since no photon is input to the second light-receiving unit APD2, when the first gate signal GS is applied to the second light-receiving unit APD2, the second light-receiving unit APD2 is connected to the second light- APD2) to output the electrostatic capacitive response signal due to the inherent electrostatic capacity.
  • the digital value of the avalanche signal is determined based on the threshold value (Vth).
  • the digital value of the avalanche signal Av1 is determined to be zero.
  • the digital value of the avalanche signal Av2 is determined to be 1. It is judged that the photon is incident on the first light receiving unit APD1 when the digital value of the Avalanche signal Av2 is determined as 1.
  • Vth The lower the threshold value (Vth), the smaller the amplitude of the avalanche signal can be detected, and a smaller number of photons can be detected.
  • a digital value of 1 is calculated by the first electrostatic capacitive response signal Cp1 irrespective of the avalanche signal .
  • a digital value of 1 can be calculated.
  • the threshold value Vth In order to prevent such a malfunction, the threshold value Vth must be at least larger than the first electrostatic capacitive response signal Cp1. However, in order to increase the threshold value Vth, the amplification degree of the first light receiving section APD1 must be increased, and if the amplification degree of the first light receiving section APD1 is increased, the above-described after-pulse noise increases.
  • the first light receiving portion APD1 and the second light receiving portion APD2 have substantially the same electrostatic capacitive response characteristic.
  • the first capacitive response signal Cp1 is substantially the same as the second capacitive response signal.
  • the second electrostatic capacitive response signal Cp2 may be the same as the first electrostatic capacitive response signal Cp1 of Fig.
  • the determination unit 105 determines whether or not the first signal (i.e., the avalanche signal Av and the first electrostatic capacitive response signal Cp1) from the first light receiving unit APD1 and the second signal from the second light receiving unit APD2 (I.e., the second electrostatic capacitive response signal Cp2).
  • the first signal i.e., the avalanche signal Av and the first electrostatic capacitive response signal Cp1
  • the second signal from the second light receiving unit APD2 I.e., the second electrostatic capacitive response signal Cp2
  • the determination unit 105 may include a differential unit 103 and a determination unit 104.
  • the differential portion 103 receives the first signal from the anode electrode of the first light receiving portion APD1 and receives the second signal from the anode electrode of the second light receiving portion APD2, .
  • Figs. 4A and 4B are diagrams for explaining the operation of the differential portion 103 of Fig. 1.
  • Fig. 4A and 4B are diagrams for explaining the operation of the differential portion 103 of Fig. 1.
  • the differential section 103 inverts the phase of the second signal S2 by 180 degrees, and synthesizes the phase-inverted second signal S2 and the first signal S1.
  • the first electrostatic capacitive response signal Cp1 and the second electrostatic capacitive response signal Cp2 have substantially the same magnitude, the first signal S1 and the phase-inverted second signal S2 Is synthesized, only the avalanche signal Av of the first signal S1 is detected.
  • the second electrostatic capacitive response signal Cp2 of the phase-inverted second signal S2 has the same magnitude as the first electrostatic capacitive response signal Cp1 but has a different polarity, The sum of the first electrostatic capacitive response signal Cp1 and the second electrostatic capacitive response signal Cp2 is substantially zero.
  • the signal generated by the combination of the first signal S1 and the phase-inverted second signal S2 i.e., the output signal of the differential section 103) (Av).
  • the light source detecting apparatus can remove the background signal, the capacitive response signal, so that it exhibits a relatively high light detection efficiency even under a low bias condition.
  • the size of the gate signal GS can be lowered, noise due to the after-pulse noise effect can be significantly reduced.
  • the first light-receiving unit APD1 and the second light-receiving unit APD2 may be located on different substrates.
  • the first light receiving portion APD1 may be located on the first substrate
  • the second light receiving portion APD2 may be located on the second substrate different from the first substrate.
  • a component including the first light receiving portion APD1 and the first substrate may be defined as a first module and a component including the second light receiving portion APD2 and the second substrate may be defined as a second module.
  • the device characteristics of the first light receiving unit APD1 and the second light receiving unit APD2 may be different from each other.
  • the element characteristics of the first light-receiving section APD1 and the element characteristics of the second light-receiving section APD2 can be similarly adjusted by tuning.
  • the first light receiving unit APD1 and the second light receiving unit APD2 may be located on the same one substrate.
  • both the first light-receiving unit APD1 and the second light-receiving unit APD2 may be located on the substrate.
  • the first light receiving unit APD1, the second light receiving unit APD2, and the substrate may be included in one module.
  • the device characteristics of the first light receiving unit APD1 and the second light receiving unit APD2 are substantially the same, Tuning may be unnecessary.
  • the first light receiving unit APD1 and the second light receiving unit APD2 may be integrated in a hybrid manner on a patterned submount.
  • productivity can be increased due to easy module assembly.
  • the first light receiving unit APD1 and the second light receiving unit APD2 may have different breakdown voltages.
  • the breakdown voltage of the second light-receiving section APD2 may be higher than the breakdown voltage of the first light-receiving section APD1.
  • the second light-receiving unit APD2 in which the photon is not incident, may have a higher breakdown voltage than the first light-receiving unit APD1 to which the photon is incident.
  • the second light receiving portion APD2 not receiving the photon can have a lower breakdown voltage than the first light receiving portion APD1 where the photon is incident.
  • the breakdown voltage of the second light-receiving section APD2 may be 0.1V to 10V higher than the breakdown voltage of the first light-receiving section APD1.
  • the gate signal GS of the same size is applied to the first light receiving unit APD1 and the second light receiving unit APD2 Only the first light receiving section APD1 can be selectively operated in the Gager mode.
  • the first light receiving unit APD1 when the breakdown voltage of the second light receiving unit APD2 is higher than the breakdown voltage of the first light receiving unit APD1, the first light receiving unit APD1 operates in the Gager mode for the gate signal GS of the same size
  • the second light receiving unit APD2 may not operate in the Geiger mode.
  • the first light receiving unit APD1 when the magnitude of the gate signal GS is higher than the breakdown voltage of the first light receiving unit APD1 and lower than the breakdown voltage of the second light receiving unit APD2, the first light receiving unit APD1 operates in the Geiger mode, 2 light receiving unit APD2 may not operate in the Geiger mode.
  • the gate signal GS applied to the first light receiving unit APD1 and the second light receiving unit APD2 may be higher than the breakdown voltage of the first light receiving unit APD1 and the breakdown voltage of the second light receiving unit APD2.
  • the gate signal GS applied to the first light receiving unit APD1 and the second light receiving unit APD2 may be higher than the breakdown voltage of the first light receiving unit APD1 and lower than the breakdown voltage of the second light receiving unit APD2 .
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the magnitude of amplification of avalanche according to the gate signal GS applied to the first light receiving unit APD1 and the second light receiving unit APD2 having different breakdown voltages.
  • the first voltage Vgh of the gate signal GS is higher than VB1 and VB2 when the breakdown voltage of the first light receiving portion APD1 is VB1 and the breakdown voltage of the second light receiving portion APD2 is VB2. In this case, both the first light receiving unit APD1 and the second light receiving unit APD2 operate in the gager mode.
  • the difference voltage? V1 i.e., the absolute value of the difference voltage
  • Vgh the first voltage
  • VB2 and the gate signal GS the absolute value of the difference voltage
  • the first light receiving unit APD1 since the first light receiving unit APD1 operates in the Geiger mode, its avalanche amplification is large, while the second light receiving unit APD2 has a lower reverse state than the reverse bias state in the Geiger mode of the first light receiving unit APD1
  • the amplification of the second light receiving unit APD2 is small. That is, the avalanche amplification of the second light receiving unit APD2 is significantly smaller than the avalanche amplification of the first light receiving unit APD1 operating in the Geiger mode.
  • the probability of occurrence of the dark coefficient of the second light receiving unit APD2 decreases.
  • the noise pulse from the second light-receiving section APD2 decreases. Since the noise pulse from the second light receiving section APD2 can affect the output of the first light receiving section APD1, the reliability of the output of the first light receiving section APD1 is improved when the noise pulse from the second light receiving section APD2 is reduced .
  • the output of the second light receiving section APD2 by the gate signal GS becomes closer to the unique electrostatic capacitive response signal of the second light receiving section APD2 .
  • the noise pulse of the second light-receiving section APD2 decreases, a more accurate magnitude and type of the capacitive response signal can be detected from the output of the second light-receiving section APD2.
  • the first voltage Vgh of the gate signal GS is higher than VB1, low.
  • V2B ' is higher than the first voltage (Vgh) of the gate signal GS. Therefore, the first light receiving unit APD1 operates in the Geiger mode, while the second light receiver APD2 does not operate in the Geiger mode.
  • the electrostatic capacitive response signal of the second light receiving portion APD2 can be confirmed from the second light receiving portion APD2 which does not operate in the Gager mode.
  • the signal output from the first light receiving unit APD1 includes the avalanche signal and the electrostatic capacitive response signal of the second light receiving unit APD2.
  • the electrostatic capacitive response signal of the first light receiving unit APD1 is substantially equal to the electrostatic capacitive response signal of the second light receiving unit APD2
  • the signal output from the first light receiving unit APD1 and the signal output from the second light receiving unit APD2 It is possible to detect the avalanche signal output from the first light receiving unit APD1.
  • FIG. 6 is a characteristic curve showing a change in the breakdown voltage according to the thickness of the amplification layer of the Avalanche photodiode.
  • the X-axis represents the thickness of the amplification layer of the Avalanche photodiode
  • the Y-axis represents the breakdown voltage of the Avalanche photodiode
  • the breakdown voltage of the avalanche photodiode is inversely proportional to the thickness of the amplification layer.
  • the breakdown voltage of the Avalanche photodiode in the first region A1 of the characteristic curve is inversely proportional to the thickness of the amplification layer. Therefore, as the thickness of the amplification layer in the first region Al increases, the breakdown voltage decreases.
  • the breakdown voltage of the avalanche photodiode is proportional to the thickness of the amplification layer.
  • the breakdown voltage of the avalanche photodiode in the second region A2 of the characteristic curve is proportional to the thickness of the amplification layer. Therefore, as the thickness of the amplification layer in the second region A2 increases, the breakdown voltage increases.
  • the avalanche photodiode used for single photon detection shows good characteristics when the amplification layer thickness is located in the second region (A2).
  • Tm1 and Tm2 denote the thicknesses of the amplification layers of two different avalanche photodiodes, and these Tm1 and Tm2 are located in the second region A2 of the characteristic curve.
  • Tm1 may be the thickness of the amplification layer of the first light-receiving section APD1 described above
  • Tm2 may be the thickness of the amplification layer of the second light-receiving section APD2 described above.
  • VB1 represents the breakdown voltage corresponding to Tm1
  • VB2 represents the breakdown voltage corresponding to Tm2.
  • VB1 may be the breakdown voltage of the first light-receiving section APD1 described above
  • VB2 may be the breakdown voltage of the second light-receiving section APD2 described above.
  • the magnitude of the breakdown voltage of the Avalanche photodiode can be controlled by the thickness of the amplification layer contained in the Avalanche photodiode.
  • the second light receiving portion APD2 may have a higher breakdown voltage than the first light receiving portion APD1 when the second light receiving portion APD2 has an amplification layer having a greater thickness than the first light receiving portion APD1.
  • the second light receiving portion APD2 has a higher breakdown voltage than the first light receiving portion APD1 through the thickness of the amplification layer so that only the first light receiving portion APD1 selectively passes through the same gate signal GS, So that it can be operated.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view of the light receiving portion APD of FIG. 1 according to the present invention.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of the first amplification layer 707a and the second amplification layer 707b when the light receiving portion APD is viewed in the arrow direction shown in FIG. 2 amplification layer 707b.
  • the light receiving portion APD includes a substrate 700, a conducting layer 701a, a second conductive layer 701b, a first light absorbing layer 702a, A second light-absorbing layer 702b, a first grading layer 703a, a second grading layer 703b, a first electric field control layer 704a, a second electric field control layer 704b, A first window layer 705a, a second window layer 705b, a first anode electrode 709a, a second anode electrode 709b, a first cathode electrode 710a, a second cathode electrode 710b An insulating layer 715, a blocking layer 800, and an anti-reflection layer 900.
  • the present invention is not limited thereto, and some layers or films may be selectively removed as needed.
  • the substrate 700 includes a first region A1 and a second region A2 defined by the element isolation trenches 750.
  • the device isolation trenches 750 may be located between two opposing sides 11, 22 of the substrate 700.
  • the first side 11 and the second side 22 of the substrate 700 are defined as the first side 11 and the second side 22, I face each other.
  • the first region AA1 is located between the element isolation trenches 750 and the first side 11 and the second region AA2 is located between the element isolation trenches 750 and the second side 22.
  • the light receiving portion (APD) of the present invention may further include an element isolation film embedded in the element isolation trench 750.
  • the device isolation film may include an insulating material.
  • the substrate 700 may be a substrate including n-type InP (Indium Phosphide). In addition, the substrate 700 may be a semi-insulating substrate including InP.
  • the first light receiving portion APD1 is located in the first area AA1 of the substrate 700 and the second light receiving portion APD2 is located in the second area AA2 of the substrate 700.
  • the first light receiving portion APD1 includes a first conductive layer 701a, a first light absorbing layer 702a, a first grading layer 703a, a first electric field adjusting layer 704a, a first window layer 705a, And includes an anode electrode 709a and a first cathode electrode 710a.
  • the first window layer 705a has a first active region 706a, a first amplification layer 707a, and a first guard ring 708a.
  • the second light receiving portion APD2 includes a second conductive layer 701b, a second light absorbing layer 702b, a second grading layer 703b, a second electric field adjusting layer 704b, A second window layer 705b, a second anode electrode 709b, and a second cathode electrode 710b.
  • the second window layer 705b includes a second active region 706b, a second amplification layer 707b, and a second guard ring 708b.
  • the first conductive layer 701a and the second conductive layer 701b are located on the substrate 700.
  • the first conductive layer 701a is located in the first area AA1 of the substrate 700 and the second conductive layer 701b is located in the second area AA2 of the substrate 700.
  • the first conductive layer 701a is located between the first region AA1 of the substrate 700 and the first light absorbing layer 702a
  • the second conductive layer 701b is located between the first region AA1 of the substrate 700 and the second And is located between the region AA2 and the second light absorbing layer 702b.
  • the first conductive layer 701a and the second conductive layer 701b may be conductive layers each containing n-type InP.
  • the first and second light absorbing layers 702a and 702b convert a photon provided from the outside into a carrier, for example, electrons.
  • the first light absorbing layer 702a is located on the first conductive layer 701a and the second light absorbing layer 702b is located on the second conductive layer 701b. Specifically, the first light absorbing layer 702a is located between the first conductive layer 701a and the first grading layer 703a, the second light absorbing layer 702b is positioned between the second conductive layer 701b and the second grading layer 703a, Layer 703b.
  • the first light absorbing layer 702a and the second light absorbing layer 702b may each be a light absorbing layer containing InGaAs (Indium Gallium Arsenide).
  • the first light absorbing layer 702a and the second light absorbing layer 702b may each be a light absorbing layer containing InGaAsP (Indium Gallium Arsenide Phosphide).
  • the first and second grading layers 703a and 703b are formed such that the carriers from the first and second light absorbing layers 702a and 702b can be transmitted to the first and second amplifying layers 707a and 707b A material having an energy band gap between the energy band gap of the light absorbing layers 702a and 702b and the energy band gap of the electric field adjusting layers 704a and 704b.
  • the first grading layer 703a is located on the first light absorbing layer 702a and the second grading layer 703b is located on the second light absorbing layer 702b. Specifically, the first grading layer 703a is located between the first light absorbing layer 702a and the first electric field adjusting layer 704a, the second grading layer 703b is located between the second light absorbing layer 702b and the second And the electric field adjusting layer 704b.
  • the first grading layer 703a may comprise a plurality of layers vertically stacked along the y-axis.
  • the second grading layer 703b may comprise a plurality of layers vertically stacked along the y-axis.
  • the first grading layer 703a and the second grading layer 703b may be grading layers each including a plurality of InGaAsP.
  • the first electric field control layer 704a controls the electric field of the first amplification layer 707a and the second electric field adjustment layer 704b controls the electric field of the second amplification layer 707b.
  • the first electric field adjusting layer 704a is located on the first grading layer 703a and the second electric field adjusting layer 704b is located on the second grading layer 703b. Specifically, the first electric field adjusting layer 704a is located between the first grading layer 703a and the first window layer 705a, the second electric field adjusting layer 704b is located between the second grading layer 703b and the first window layer 705b, 2 window layer 705b.
  • the first electric field adjusting layer 704a and the second electric field adjusting layer 704b may be an electric field adjusting layer including n-type InP.
  • the first amplification layer 707a and the second amplification layer 707b amplify the electric charge transferred from the first light absorption layer 702a and the second light absorption layer 702b.
  • the first amplification layer 707a is located on the first electric field adjustment layer 704a and the second amplification layer 707b is located on the second electric field adjustment layer 704b. Specifically, the first amplification layer 707a is located between the first electric field adjustment layer 704a and the first active region 706a, the second amplification layer 707b is between the second electric field adjustment layer 704b and the second amplification layer 707b, 2 active region 706b.
  • the thickness Tm2 of the second amplification layer 707b is larger than the thickness Tm1 of the first amplification layer 707a.
  • the first amplification layer 707a and the second amplification layer 707b may each have a circular shape.
  • the diameter d2 of the second amplification layer 707b May be larger than the diameter d1 of the first amplification layer 707a.
  • the first and second amplification layers 707a and 707b may have different shapes in addition to the original shape.
  • the first amplification layer 707a and the second amplification layer 707b may each have an elliptic shape.
  • the thickness of the first amplification layer 707a can be controlled by controlling the diffusion depth of the first active region 706a or the depth of ion implantation into the first active region 706a or by controlling the thickness of the epitaxial layer Lt; / RTI >
  • the thickness of the second amplification layer 707b can be controlled by controlling the diffusion depth of the second active region 706b or the depth of ion implantation into the second active region 706b or by controlling the thickness of the epitaxial layer Lt; / RTI >
  • the thickness of the first amplification layer 707a and the thickness of the second amplification layer 707b are different. For example, when the depth of the second active region 706b is smaller than the depth of the first active region 706a, the thickness of the second amplification layer 707b is greater than the thickness of the first amplification layer 707a.
  • the first electric field adjusting layer 704a (Hereinafter referred to as a first interval) between the first electric field adjusting layer 704a and the first active region 706a and the interval between the second electric field adjusting layer 704b and the second active region 706b .
  • the second gap becomes larger than the first gap. Accordingly, the electrostatic capacitance of the second light receiving unit APD2 is reduced, and the deviation between the first electrostatic capacitive response signal Cp1 and the second electrostatic capacitive response signal Cp2 can be increased.
  • the capacitance of the second light receiving portion APD2 described above may increase. Therefore, if the diameter d2 of the second amplification layer 707b is increased in accordance with the change of the thickness Tm2 of the second amplification layer 707b, the second gap is larger than the first gap, The electrostatic capacitance of the first light receiving portion APD2 and the electrostatic capacitance of the first light receiving portion APD1 can be maintained substantially equal.
  • the second electrostatic capacitive response signal Cp2 may have substantially the same magnitude as the first capacitive response signal Cp1.
  • the first amplification layer 707a and the second amplification layer 707b may each be an amplification layer containing n-type InP.
  • the first active region 706a is located on the first amplification layer 707a and the second active region 706b is located on the second amplification layer 707b.
  • the first active region 706a and the second active region 706b may each be an active region containing p-type InP.
  • the first guard ring 708a reduces the peak of the electric field in which the electric field is concentrated on the outer periphery of the first active region 706a while the second guard ring 708b reduces the electric field concentrated on the outer periphery of the second active region 706b Thereby reducing the peak of the electric field.
  • the first guard ring 708a surrounds the first active region 706a. To this end, the first guard ring 708a may have a closed curve or ring shape surrounding the first active area 706a.
  • a second guard ring 708b surrounds the second active region 706b.
  • the second guard ring 708b may have a closed curve or ring shape surrounding the second active area 706b.
  • the insulating film 715 is located on the first window layer 705a, the second window layer 705b, and the element isolation trenches 750.
  • the insulating film 715 has via holes exposing portions of the first active region 706a, the second active region 706b, the first window layer 705a, and the second window layer 705b.
  • the first anode electrode 709a is connected to the first active region 706a through a via hole exposing the first active region 706a and the second anode electrode 709b is connected to the second active region 706b through the via hole exposing the first active region 706a, And is connected to the second active region 706b via a via hole.
  • the first cathode electrode 710a is connected to the first window layer 705a via a via hole exposing the first window layer 705a and the second cathode electrode 710b is connected to the second window layer 705b through a via hole exposing the first window layer 705a, And is connected to the second window layer 705b via a via hole.
  • Two opposed faces 10 and 20 of the substrate 700 are defined as a first face 10 and a second face 20, respectively.
  • the first surface 10 and the second surface 20 face each other in the y-axis direction.
  • the first conductive layer 701a and the second conductive layer 701b described above are located on the first side 10 of the substrate.
  • the blocking layer 800 is then positioned on the second side 20 of the substrate 700. At this time, the blocking layer 800 has a transmission hole 850 corresponding to the first amplification layer 707a. In other words, the blocking film 800 has a through hole 850 located corresponding to the first area AA1.
  • the blocking layer 800 overlaps the second amplification layer 707b.
  • the second region AA2 of the substrate 700 is located between the blocking layer 800 and the second amplification layer 707b.
  • the anti-reflection film 900 is located in the transmission hole 850. Light or photons from the outside are provided to the first light receiving section APD1 through the antireflection film 900 in the transmission hole 850.
  • the light receiving portion APD of the present invention includes an ohmic contact layer 731a, a first cathode electrode 710a, and a first window layer 705a disposed between the first anode electrode 709a and the first active region 706a.
  • the photon detection apparatus according to an embodiment of the present invention provides the following effects.
  • the second light-receiving portion has a higher breakdown voltage than the first light-receiving portion where light or photon is incident. Therefore, for the gate signal of the same size, the first light receiving section operates in the Geiger mode, while the second light receiving section does not operate in the Geiger mode. That is, since the second light receiving portion is operated in a reverse bias state lower than the reverse bias state in the Geiger mode, the amplification of the second light receiving portion is small. Thus, the probability of occurrence of the dark-field intensity of the second light-receiving portion is reduced, thereby reducing the noise pulse from the second light-receiving portion, and consequently the reliability of the first light-receiving portion output affected by the noise pulse can be improved.
  • the first light receiving portion and the second light receiving portion can be manufactured on one same substrate. Therefore, the characteristics of the first light receiving portion and the characteristics of the second light receiving portion can be substantially maintained. That is, the characteristic deviation between the first light receiving portion and the second light receiving portion can be minimized.
  • the electrostatic capacitive response signal of the first light receiving portion and the electrostatic capacitive response signal of the second light receiving portion have substantially the same characteristics, the avalanche signal generated by the small avalanche amplification can be accurately detected.
  • the digital signal can be detected even if the amplification of the avalanche of the first light receiving unit is reduced, the after-pulse noise can be reduced.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a photon detection method according to an embodiment of the present invention.
  • a photon detection method includes a step S100 of receiving a first signal according to the supply of a gate signal from a first light receiving unit APD1 receiving photons and having a first breakdown voltage, Receiving (S110) a second signal corresponding to the supply of the gate signal (GS) from a second light-receiving portion (APD2) having a second breakdown voltage higher than the breakdown voltage; And determining whether the photon is received based on the first signal and the second signal (S120).
  • the gate signal GS may be maintained at the first voltage during the activation period and may be maintained at the second voltage lower than the first voltage during the rest of the inactivation period except for the activation period.
  • the gate signal GS may be output from the gate signal generator 102.
  • the gate signal generator 102 may output a gate signal GS in the form of a pulse or a sine wave.
  • the gate signal GS output from the gate signal generating unit 102 is supplied to the first light receiving unit APD1 and the second light receiving unit APD2.
  • At least one of the first light receiving unit APD1 and the second light receiving unit APD2 operates in a gated Geiger mode (Geiger mode) by the gate signal GS from the gate signal generating unit 102 .
  • the breakdown voltage of the second light receiving unit APD2 is higher than the breakdown voltage of the first light receiving unit APD1 when the gate signal GS of the same size is applied to the first light receiving unit APD1 and the second light receiving unit APD2 Only the first light receiving unit APD1 can be selectively operated in the Gager mode.
  • the first light receiving unit APD1 when the breakdown voltage of the second light receiving unit APD2 is higher than the breakdown voltage of the first light receiving unit APD1, the first light receiving unit APD1 operates in the Gager mode for the gate signal GS of the same size
  • the second light receiving unit APD2 may not operate in the Geiger mode.
  • the first light receiving unit APD1 when the magnitude of the gate signal GS is higher than the breakdown voltage of the first light receiving unit APD1 and lower than the breakdown voltage of the second light receiving unit APD2, the first light receiving unit APD1 operates in the Geiger mode, 2 light receiving unit APD2 may not operate in the Geiger mode.
  • first electrostatic capacitive response signal Cp1 and the second electrostatic capacitive response signal Cp2 have substantially the same magnitude, when the first signal S1 and the phase-inverted second signal S2 are synthesized, Only the amplitude signal Av of the first signal S1 is detected.
  • the second electrostatic capacitive response signal Cp2 of the phase-inverted second signal S2 has the same magnitude as the first electrostatic capacitive response signal Cp1 but has a different polarity, The sum of the first electrostatic capacitive response signal Cp1 and the second electrostatic capacitive response signal Cp2 is substantially zero.
  • the signal generated by the combination of the first signal S1 and the phase-inverted second signal S2 i.e., the output signal of the differential section 103) (Av).

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Abstract

본 발명은 높은 광 검출 효율을 갖는 광자 검출 장치에 관한 것으로, 게이트 신호를 공급받아 제 1 신호를 출력하는 제 1 수광부; 게이트 신호를 공급받아 제 2 신호를 출력하는 제 2 수광부; 및 제 1 수광부로부터의 제 1 신호와 제 2 수광부로부터의 제 2 신호를 근거로 광자의 수신 여부를 판단하는 판단부를 포함하며; 제 1 수광부 및 제 2 수광부 중 제 1 수광부에 광자가 입사되며; 제 2 수광부의 항복 전압이 제 1 수광부의 항복 전압보다 높다.

Description

광자 검출 장치 및 광자 검출 방법
본 발명은 광자 검출 장치 및 광자 검출 방법에 관한 것으로, 특히 높은 광 검출 효율을 갖는 광자 검출 장치 및 광자 검출 방법에 대한 것이다.
정보 통신 기술의 고도화에 따라 양자 암호 통신 기술이 발전하고 있는데, 이러한 양자 암호 통신 기술에서는 단일 광자 수준의 미약한 광 신호를 검출하는 기술의 중요성이 증가하고 있다.
단일 광자와 같이 세기가 미약한 광 신호를 검출하기 위하여 단일 광자 검출 장치(Single Photon Detector)가 이용된다. 이러한 단일 광자 검출 장치의 수광소자로서 아발란치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode)가 주로 이용된다.
단일 광자 검출 장치의 아발란치 포토 다이오드가 가이거 모드로 동작되는 경우, 아발란치 포토 다이오드에 의하여 아발란치 신호가 발생될 수 있다.
이때 아발란치 포토 다이오드에서 발생되는 아발란치 신호가 아발란치 포토 다이오드의 정전 용량성 응답 신호에 비하여 크지 않을 때에는 아발란치 신호 만을 획득(또는 검출)하는데 어려움이 있다.
단일 광자 검출 장치에서 아발란치 신호를 검출하지 못하는 경우 단일 광자와 같은 세기가 약한 광 신호를 검출하지 못하게 되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 높은 광자 검출 효율을 갖는 광자 검출 장치 및 광자 검출 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광자 검출 장치는, 게이트 신호를 공급받아 제 1 신호를 출력하는 제 1 수광부; 상기 게이트 신호를 공급받아 제 2 신호를 출력하는 제 2 수광부; 및 상기 제 1 수광부로부터 수신되는 제 1 신호와 상기 제 2 수광부로부터 수신되는 제 2 신호를 근거로 광자의 수신 여부를 판단하는 판단부를 포함한다.
구체적으로, 광자가 수신되는 상기 제 1 수광부의 항복 전압은 상기 제 2 수광부의 항복 전압 보다 낮을 수 있다.
구체적으로, 상기 게이트 신호는, 활성화 기간에서는 제 1 전압으로 유지되고, 상기 활성화 기간을 제외한 나머지 비활성화 기간에서는 상기 제 1 전압 보다 낮은 제 2 전압으로 유지될 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 전압은, 상기 제 1 수광부의 항복 전압 보다 높고 상기 제 2 수광부의 항복 전압 보다 낮거나 또는 상기 제 1 수광부의 항복 전압 및 상기 제 2 수광부의 항복 전압 보다 높을 수 있다.
구체적으로, 상기 판단부는, 상기 제 2 신호를 위상 반전하여 상기 제 1 신호와 합성하여 생성되는 신호를 근거로 광자의 수신 여부를 판단할 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 신호는, 광자의 수신에 기인한 신호와 상기 제 1 수광부에 기인한 신호를 포함할 수 있고, 상기 제 2 신호는 상기 제 2 수광부에 기인한 신호를 포함할 수 있다.
구체적으로 상기 제 1 수광부에 기인한 신호는 상기 제 1 수광부의 정전 용량에 기인한 제 1 정전 용량성 응답 신호일 수 있고, 상기 제 2 수광부에 기인한 신호는 상기 제 2 수광부의 정전 용량에 기인한 제 2 정전 용량성 응답 신호일 수 있으며, 상기 제 1 정전 용량성 응답 신호는 상기 제 2 정전 용량성 응답 신호와 실질적으로 동일할 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 수광부에 포함되는 증폭층과 상기 제 2 수광부에 포함되는 증폭층은 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
구체적으로, 증폭층의 두께와 항복 전압의 크기가 비례하는 경우, 상기 제 2 수광부에 포함되는 증폭층은 상기 제 1 수광부에 포함되는 증폭층보다 더 큰 두께를 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 수광부에 포함되는 증폭층과 상기 제 2 수광부에 포함되는 증폭층은 서로 다른 직경을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 제 2 수광부에 포함되는 증폭층은 상기 제 1 수광부에 포함되는 증폭층보다 더 큰 직경을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 수광부 및 상기 제 2 수광부가 형성된 기판을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 수광부 및 상기 제 2 수광부는 상기 기판의 제 1 면 상에 위치할 수 있다.
구체적으로, 상기 기판의 제 1 면과 마주보는 상기 기판의 제 2 면 상에 위치한 차단막을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 차단막은, 상기 제 1 수광부에 대응되게 위치한 투과홀을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 투과홀 내에 위치한 반사 방지막을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 기판의 제 1 면은 상기 제 1 수광부와 상기 제 2 수광부 사이의 소자 분리홈에 의해 구분된 제 1 영역 및 제 2 영역을 포함할 수 있으며, 상기 제 1 수광부는 상기 제 1 영역에 위치할 수 있고, 상기 제 2 수광부는 상기 제 2 영역에 위치할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 광자 검출 방법은, 광자가 수신되며 제 1 항복 전압을 갖는 제 1 수광부로부터 게이트 신호 공급에 따른 제 1 신호를 수신하는 단계; 상기 제 1 항복 전압 보다 높은 제 2 항복 전압을 갖는 제 2 수광부로부터 상기 게이트 신호 공급에 따른 제 2 신호를 수신하는 단계; 및 상기 제 1 신호와 상기 제 2 신호를 근거로 광자의 수신 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 상기 게이트 신호는, 활성화 기간에서는 제 1 전압으로 유지될 수 있고, 상기 활성화 기간을 제외한 나머지 비활성화 기간에서는 상기 제 1 전압 보다 높은 제 2 전압으로 유지될 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 전압은, 상기 제 1 수광부의 항복 전압 보다 높고 상기 제 2 수광부의 항복 전압 보다 낮을 수 있으며, 또는 상기 제 1 수광부의 항복 전압 및 상기 제 2 수광부의 항복 전압 보다 높을 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 신호와 상기 제 2 신호를 근거로 광자의 수신 여부를 판단하는 단계는, 상기 제 2 신호를 위상 반전하여 상기 제 1 신호와 합성하여 생성되는 신호를 근거로 광자의 수신 여부를 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 광자 검출 장치 및 광자 검출 방법에 의하여 높은 광자 검출 효율로 광자를 검출하는 효과가 성취될 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 광자 검출 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 게이트 신호 발생부로부터 출력된 게이트 신호의 파형을 나타낸 도면이다.
도 3은 제 1 수광부로부터 출력된 제 1 신호의 파형을 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b 도 1의 차동부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 서로 다른 항복 전압을 갖는 제 1 수광부 및 제 2 수광부에 인가된 게이트 신호에 따른 아발란치 증폭의 크기를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 아발란치 포토 다이오드의 증폭층 두께에 따른 항복 전압의 변화를 나타낸 특성 곡선이다.
도 7a는 본 발명의 도 1의 수광부의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 화살표 방향으로 수광부를 바라보았을 때의 제 1 증폭층 및 제 2 증폭층의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 광자 검출 방법을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 그에 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않고, 제 1 구성 요소가 제 2 또는 제 3 구성 요소 등으로 명명될 수 있으며, 유사하게 제 2 또는 제 3 구성 요소도 교호적으로 명명될 수 있다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 7b를 참조로 본 발명에 광자 검출 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 광자 검출 장치를 나타낸 도면이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 광자 검출 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 수광부(APD), 게이트 신호 발생부(102) 및 판단부(105)를 포함한다.
수광부(APD)는 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2)를 포함한다.
제 1 수광부(APD1)는 아발란치 포토 다이오드를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 광자를 검출하기 위한 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 수광부(APD1)는 아발란치 포토 다이오드일 수 있다.
제 2 수광부(APD2)는 아발란치 포토 다이오드를 포함 할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 광자를 검출하기 위한 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 수광부(APD2)는 아발란치 포토 다이오드일 수 있다.
제 1 수광부(APD1)는 제 2 수광부(APD2)에 병렬로 접속된다.
예를 들어, 제 1 수광부(APD1)는 제 2 수광부(APD2)는 각각 캐소드 전극과 애노드 전극을 포함할 수 있는데, 제 1 수광부(APD1)의 캐소드 전극 및 제 2 수광부(APD2)의 캐소드 전극은 제 1 노드(n1)에 연결되며, 제 1 수광부(APD1)의 애노드 전극은 제 2 노드(n2)에 연결되며, 제 2 수광부(APD2)의 애노드 전극은 제 3 노드(n3)에 연결된다.
제 1 노드(n1)는 게이트 신호 발생부(102)에 연결된다.
제 2 노드(n2)는 저항(R1)에 연결된다. 예를 들어, 제 2 노드(n2)는 저항(R1)의 일측 단자에 연결될 수 있다. 이때 이 저항(R1)의 타측 단자는 그라운드(ground)에 연결된다.
제 3 노드(n3)는 저항(R2)에 연결된다. 예를 들어 제 3 노드(n3)는 저항(R3)의 일측 단자에 연결될 수 있다. 이때 이 저항(R2)의 타측 단자는 그라운드(ground)에 연결된다.
게이트 신호 발생부(102)는 구형파 형태의 게이트 신호(GS)를 출력한다. 예를 들어, 게이트 신호 발생부(102)는 펄스 형태 또는 사인파 형태의 게이트 신호(GS)를 출력할 수 있다.
게이트 신호 발생부(102)로부터 출력된 게이트 신호(GS)는 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2)로 공급된다.
구체적으로, 게이트 신호 발생부(102)로부터 출력된 게이트 신호(GS)는 제 1 노드(n1)를 통해 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2)에 각각 인가될 수 있다. 예를 들어, 게이트 신호 발생부(102)로부터 출력된 게이트 신호(GS)는 제 1 노드(n1)를 통해 제 1 수광부(APD1)의 캐소드 전극 및 제 2 수광부(APD2)의 캐소드 전극에 각각 인가될 수 있다.
게이트 신호 발생부(102)로부터의 게이트 신호(GS)에 의해 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2) 중 적어도 하나는 게이티드 가이거 모드(gated Geiger mode; 이하, 가이거 모드)로 동작한다.
게이트 신호 발생부(102)는 직류 전압원(112) 및 펄스 발생부(111)를 포함한다. 직류 전압원(112)은 직류 전압(Vdc)을 제공하며, 펄스 발생부(111)는 펄스(PS)를 발생한다. 예를 들어, 직류 전압원(112)은 직류 전압(Vdc)으로 바이어스 전압을 제공할 수 있다.
게이트 신호 발생부(102)에서 생성되는 게이트 신호(GS)는 직류 전압(Vdc)을 기준으로 스윙하는 펄스(PS)일 수 있다.
도 2는 도 1의 게이트 신호 발생부(102)로부터 출력된 게이트 신호(GS)의 파형을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 게이트 신호(GS)는, 활성화 기간(Ta) 동안 제 1 전압(Vgh)으로 유지되며, 그 활성화 기간(Ta)을 제외한 나머지 비활성화 기간(Tna) 동안 제 2 전압(Vgl)으로 유지된다.
구체적으로, 게이트 신호(GS)는 활성화 기간(Ta)에 직류 전압보다 더 높은 제 1 전압(Vgh)으로 유지되며, 비활성화 기간(Tna) 동안 그 제 1 전압(Vgh)보다 더 낮은 제 2 전압(Vgl)으로 유지된다.
여기서 게이트 신호(GS)의 제 2 전압(Vgl)은 전술된 직류 전압(Vdc), 즉 바이어스 전압에 해당될 수 있다.
도 2의 VG는 게이트 신호(GS)의 진폭을 의미한다. 그리고, 도 2의 ΔV는 항복 전압(VB)과 게이트 신호(GS)의 제 1 전압(Vgh) 간의 차전압의 절대값이다. 이 차전압(ΔV)은 오버 바이어스(over bias) 전압을 의미한다.
도 2의 Tg는 게이트 신호(GS)의 한 주기를 의미한다.
외부로부터의 광은 전술된 활성화 기간(Ta)에 수광부(APD)에 입사된다. 예를 들어 활성화 기간(Ta)에 광원으로부터 수광부(APD)에 광자가 입사될 수 있다.
이때, 이 광자는 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2) 중 어느 하나에만 입사된다.
예를 들어, 그 광자는 제 1 수광부(APD1)에 입사되고, 제 2 수광부(APD2)에는 입사되지 않을 수 있다. 이와 같은 경우, 광자를 공급받는 제 1 수광부(APD1)는 주 수광부(APD)로 정의되고, 광자를 공급받지 않는 제 2 수광부(APD2)는 보조 수광부(APD)로 정의될 수 있다.
외부로부터의 광자는 게이트 신호(GS)가 제 1 전압(Vgh)으로 유지되는 활성화 기간(Ta)에 제 1 수광부(APD1)로 입사하도록 제어될 수 있다.
제 1 전압(Vgh)은 제 1 수광부(APD1)의 항복 전압(VB)보다 더 높다. 제 1 전압(Vgh)이 제 1 수광부(APD1)에 인가될 때 제 1 수광부(APD1)는 가이거 모드로 동작한다. 다시 말해, 활성화 기간(Ta) 동안에 제 1 수광부(APD1)는 가이거 모드로 동작한다.
게이트 신호(GS)는 수십 메가 헤르츠(MHz) 내지 수 기가 헤르츠(GHz)의 주파수를 가질 수 있다.
가이거 모드의 제 1 수광부(APD1)에 광 또는 광자(예를 들어, 단일 광자)가 입사하여 그 제 1 수광부(APD1)에 캐리어(전자-전공 쌍)가 생성되면 전자 또는 정공이 그 제 1 수광부(APD1)의 증폭층으로 이동하여 아발란치 메커니즘에 의해 증폭된다.
예를 들어, 순방향 바이어스시, 아발란치 포토 다이오드(즉, 제 1 수광부(APD1))는 이의 문턱 전압(예를 들면, 약 1.0V) 이상에서 턴-온(Turn-on)된다.
반면, 역방향 바이어스시, 외부에서 인가한 전압이 항복 전압(VB) 이상이 되면 아발란치 포토 다이오드의 PN 접합면에서 높은 전계가 형성된다. 이때, 광자의 흡수에 의해 발생한 전자 또는 정공이 높은 전계가 인가된 증폭층에 주입되면 연속적인 아발란치 증폭(Avalanche impact ionization) 과정을 거쳐 전류로 증폭되는 전자 눈사태 현상(Avalanche breakdown)이 발생한다. 이로 인하여 역방향 전류가 급격히 증가하게 된다.
아발란치 포토 다이오드의 가이거 모드에서는 역바이어스가 항복 전압 보다 높으며 광자 검출이 수행될 수 있다.
한편, 아발란치 포토 다이오드는 역바이어스가 항복 전압 이하인 경우에도 광자를 검출할 수 있다. 다만, 역바이어스가 항복 전압 이하인 경우에서는 저이득 및 선형적인 광자 검출 특성을 갖는다. 즉, 아발란치 포토 다이오드는 입사된 광자의 수에 비례하는 광전류를 생성한다.
하지만, 아발란치 포토 다이오드는 가이거 모드에서는 선형적인 광검출 특성을 잃어버린다. 가이거 모드에서, 아발란치 포토 다이오드는 선형 특성을 잃어버리는 대신 큰 이득을 제공한다.
가이거 모드에서, 아발란치 포토 다이오드는 이론적으로는 단일 광자(Single photon)를 검출하여 광전류로 생성할 수 있다. 여기서 가이거 모드에서 아발란치 포토 다이오드에 의해 생성되는 광전류를 가이거 전류라고 한다.
따라서, 가이거 모드에서는 적은 개수의 광자를 검출해도 상대적으로 큰 광전류가 생성될 수 있으므로, 별도의 복잡한 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier) 없이도 광자가 검출될 수 있다.
한편, 아발란치 포토 다이오드는 외부로부터 입사되는 광자가 없는 경우에도 광자가 탐지되었을 때와 동일한 신호를 출력할 수도 있는데, 이러한 탐지 비율을 암계수 발생 확률(Dark Count Probability pre gate: DCP)이라고 한다.
암계수로 표현되는 아발란치 포토 다이오드의 암전류는, 첫째는 열적 여기에 의한 전자-홀 쌍의 생성, 둘째는 공핍 영역에서 터널효과로 인한 전류 발생, 셋째는 이전에 들어온 빛에 의해 생성된 전하가 갇혀 있다가 다음 번 역바이어스에 의해 아발란치 되는 현상 등에 의해 발생된다.
이러한 단일 광자 검출장치에서, 아발란치 현상의 발생 과정 중 생성된 전하 캐리어들(Charge Carriers) 중의 일부는 즉시 소멸되지 않는다. 구체적으로, 아발란치 포토 다이오드가 가이거 모드로 동작 되는 단일 광자 검출 장치에서, 아발란치 현상을 통해 생성된 전하 캐리어들(Charge Carriers) 중의 일부는 아발란치 포토 다이오드 내부에 남을 수 있다.
이에, 아발란치 포토 다이오드 내부에 남아 있는 전하 캐리어들은 다음 게이트 신호(GS)가 그 아발란치 포토 다이오드에 인가될 때 아발란치를 발생시킨다. 이러한 현상을 애프터 펄스 노이즈(after pulse noise) 효과라고 한다.
애프터 펄스 노이즈는 양자정보통신에 있어서 신호대잡음비를 감소시키고 광자 검출의 고속 동작의 장애가 되는 요인이므로 가급적 애프터 펄스 발생 확률을 낮추는 것이 바람직하다.
아발란치 포토 다이오드의 캐소드 전극에 게이트 신호(GS)의 제 1 전압(Vgh)이 인가되면 이 아발란치 포토 다이오드는 턴-온되며, 이 턴-온된 아발란치 포토 다이오드의 애노드 전극으로부터 신호가 출력된다. 이 신호는 그 아발란치 포토 다이오드 고유의 정전 용량에 기인한 정전 용량성 응답 신호를 포함한다. 이 정전 용량성 응답 신호는 아발란치 신호의 백그라운드(background) 신호로서 작용한다.
예를 들어, 광자와 제 1 전압(Vgh)을 공급받는 제 1 수광부(APD1)로부터 출력된 신호(이하, 제 1 신호)는 아발란치 신호 및 그 제 1 수광부(APD1) 고유의 정전 용량성 응답 신호(이하, 제 1 정전 용량성 응답 신호)를 포함한다.
한편, 제 1 전압(Vgh)을 공급받는 제 2 수광부(APD2)로부터 출력된 신호(이하, 제 2 신호)는 그 제 2 수광부(APD2) 고유의 정전 용량성 응답 신호(이하, 제 2 정전 용량성 응답 신호)를 포함한다. 즉, 제 1 수광부(APD1)와는 달리 광자를 제공받지 않는 제 2 수광부(APD2)는 아발란치 신호는 출력하지 않고, 제 2 정전 용량성 응답 신호만을 출력한다.
도 3은 제 1 수광부(APD1)로부터 출력된 제 1 신호(S1)의 파형을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 신호(S1)는 아발란치 신호(Av) 및 제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1)를 포함한다. 즉, 제 1 수광부(APD1)에는 광자와 게이트 신호(GS)가 인가되므로 제 1 수광부(APD1)로부터 출력된 제 1 신호(S1)는 아발란치 신호(Av) 및 제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1)를 포함하게 된다.
한편, 도시되지 않았지만, 제 2 수광부(APD2)로부터의 제 2 신호는 제 2 정전 용량성 응답 신호를 포함한다. 즉, 전술된 바와 같이, 제 2 수광부(APD2)에는 광자가 입력되지 않으므로, 이 제 2 수광부(APD2)에 제 1 게이트 신호(GS)가 인가되면 제 2 수광부(APD2)는 그 제 2 수광부(APD2) 고유의 정전 용량에 기인한 정전 용량성 응답 신호를 출력한다.
아발란치 신호의 디지털 값은 문턱 값(Vth)을 근거로 결정된다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 아발란치 신호(Av1)가 문턱 값(Vth)보다 낮거나 같을 경우, 그 아발란치 신호(Av1)의 디지털 값은 0으로 결정된다. 반면, 도 3에 도시된 바와 같이, 아발란치 신호(Av2)가 문턱 값(Vth)보다 더 높을 경우, 그 아발란치 신호(Av2)의 디지털 값은 1로 결정된다. 아발란치 신호(Av2)의 디지털 값이 1로 결정될 때 제 1 수광부(APD1)에 광자가 입사된 것으로 판단된다.
문턱 값이(Vth) 낮을수록 더 작은 크기의 아발란치 신호도 검출될 수 있으며 이 경우 보다 작은 개수의 광자도 검출할 수 있다.
그러나, 이 문턱 값(Vth)이 제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1)보다 낮을 경우에는, 아발란치 신호와 무관하게, 제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1)에 의해 1의 디지털 값이 산출될 수 있다. 다시 말하여, 제 1 수광부(APD1)에 광자가 입사되지도 않았음에도 불구하고, 1의 디지털 값이 산출될 수 있다.
이러한 오동작을 방지하기 위해 문턱 값(Vth)은 최소한 제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1)보다 더 커야 한다. 그러나, 문턱 값(Vth)이 증가하기 위해서는 제 1 수광부(APD1)의 증폭도가 증가하여야 하며, 제 1 수광부(APD1)의 증폭도가 증가하면 전술된 애프터 펄스 노이즈가 증가하는 문제점이 발생된다.
제 1 수광부(APD1)와 제 2 수광부(APD2)는 실질적으로 동일한 정전 용량성 응답 특성을 갖는다. 다시 말하여, 제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1)는 제 2 정전 용량성 응답 신호와 실질적으로 동일하다. 예를 들어, 제 2 정전 용량성 응답 신호(Cp2)는 도 3의 제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1)와 동일할 수 있다.
판단부(105)는 제 1 수광부(APD1)로부터의 제 1 신호(즉, 아발란치 신호(Av) 및 제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1))와 제 2 수광부(APD2)로부터의 제 2 신호(즉, 제 2 정전 용량성 응답 신호(Cp2))를 근거로 광자의 수신 여부를 판단한다.
이러한 판단부(105)는 차동부(103) 및 판별부(104)를 포함할 수 있다.
차동부(103)는 제 1 수광부(APD1)의 애노드 전극으로부터 제 1 신호를 수신하고 제 2 수광부(APD2)의 애노드 전극으로부터 제 2 신호를 수신하며, 그 제 1 신호와 제 2 신호의 차이 값을 출력한다.
이 차동부(103)의 동작을 도 4a 및 도 4b를 참조로 설명한다.
도 4a 및 도 4b 도 1의 차동부(103)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 차동부(103)는 제 2 신호(S2)의 위상을 180도 반전시키고, 그 위상 반전된 제 2 신호(S2)와 제 1 신호(S1)를 합성한다.
전술된 바와 같이, 제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1)와 제 2 정전 용량성 응답 신호(Cp2)가 실질적으로 동일한 크기를 가지므로, 제 1 신호(S1)와 위상 반전된 제 2 신호(S2)가 합성되면 제 1 신호(S1)의 아발란치 신호(Av)만이 검출된다.
즉, 위상 반전된 제 2 신호(S2)의 제 2 정전 용량성 응답 신호(Cp2)는 제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1)와 크기는 같지만 극성은 상이하므로, 동일한 크기(절대값 기준으로 동일한 크기)의 제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1)와 제 2 정전 용량성 응답 신호(Cp2)의 합은 실질적으로 0이다. 따라서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제 1 신호(S1)와 위상 반전된 제 2 신호(S2) 간의 합성에 의해 생성된 신호(즉, 차동부(103)의 출력 신호)는 아발란치 신호(Av)이다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 광원 검출 장치는 백그라운드 신호인 정전 용량성 응답 신호를 제거할 수 있으므로, 낮은 바이어스 조건 하에서도 상대적으로 높은 광 검출 효율을 나타낸다. 또한, 게이트 신호(GS)의 크기가 낮아질 수 있으므로 애프터 펄스 노이즈 효과에 따른 노이즈도 상당히 줄어들 수 있다.
전술된 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2)는 서로 다른 기판 상에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제 1 수광부(APD1)는 제 1 기판 상에 위치하고, 제 2 수광부(APD2)는 그 제 1 기판과 다른 제 2 기판 상에 위치할 수 있다.
제 1 수광부(APD1) 및 제 1 기판을 포함하는 구성 요소를 제 1 모듈로 정의하고, 제 2 수광부(APD2) 및 제 2 기판을 포함하는 구성 요소를 제 2 모듈을 정의할 수 있다. 이와 같이 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2)가 서로 다른 모듈에 포함되는 경우 경우, 제 1 수광부(APD1)의 소자 특성과 제 2 수광부(APD2)의 소자 특성은 상이할 수 있다. 이 경우, 제 1 수광부(APD1)의 소자 특성과 제 2 수광부(APD2)의 소자 특성은 튜닝에 의해 동일하게 조정될 수 있다.
한편, 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2)는 동일한 하나의 기판 상에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2)는 모두 기판 상에 위치할 수 있다. 제 1 수광부(APD1), 제 2 수광부(APD2) 및 기판은 하나의 모듈에 포함될 수 있다. 이와 같이 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2)가 하나의 모듈에 위치하는 경우, 제 1 수광부(APD1)의 소자 특성과 제 2 수광부(APD2)의 소자 특성은 실질적으로 동일하므로 소자 특성의 튜닝이 불필요하게 될 수 있다.
한편, 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2)는 패터닝된 서브 마운트(sub mount) 상에 하이브리드(hybrid) 방식으로 집적될 수 있다. 이와 같이 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2)가 하이브리드 방식으로 제조될 경우, 용이한 모듈 조립으로 인해 생산성이 증가할 수 있다.
제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2)는 서로 다른 항복 전압을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 2 수광부(APD2)의 항복 전압은 제 1 수광부(APD1)의 항복 전압보다 더 높을 수 있다.
구체적으로, 광자가 입사되지 않는 제 2 수광부(APD2)는 광자가 입사되는 제 1 수광부(APD1)보다 더 높은 항복 전압을 가질 수 있다. 또는 광자가 입사되지 않는 제 2 수광부(APD2)는 광자가 입사되는 제 1 수광부(APD1)보다 더 낮은 항복 전압을 가질 수 있다. 하나의 예로서, 제 2 수광부(APD2)의 항복 전압은 제 1 수광부(APD1)의 항복 전압보다 0.1V ~ 10V 더 높을 수 있다.
이와 같이 제 2 수광부(APD2)의 항복 전압이 제 1 수광부(APD1)의 항복 전압보다 더 높은 경우, 동일한 크기의 게이트 신호(GS)가 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2)에 인가될 때, 제 1 수광부(APD1)만이 선택적으로 가이거 모드로 동작될 수 있다.
다시 말하여, 제 2 수광부(APD2)의 항복 전압이 제 1 수광부(APD1)의 항복 전압보다 더 높은 경우, 동일한 크기의 게이트 신호(GS)에 대하여 제 1 수광부(APD1)는 가이거 모드로 동작하는 반면 제 2 수광부(APD2)는 가이거 모드로 동작하지 않을 수 있다. 예를 들어, 게이트 신호(GS)의 크기가 제 1 수광부(APD1)의 항복 전압보다는 높고 제 2 수광부(APD2)의 항복 전압보다는 낮은 경우, 제 1 수광부(APD1)는 가이거 모드로 동작하는 반면 제 2 수광부(APD2)는 가이거 모드로 동작하지 않을 수 있다.
이때, 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2)에 인가되는 게이트 신호(GS)는 제 1 수광부(APD1)의 항복 전압 및 제 2 수광부(APD2)의 항복 전압보다 더 높을 수 있다. 또는, 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2)에 인가되는 게이트 신호(GS)는 제 1 수광부(APD1)의 항복 전압보다 더 높고 제 2 수광부(APD2)의 항복 전압보다 더 낮을 수 있다.
이를 도 5를 참조로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 5는 서로 다른 항복 전압을 갖는 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2)에 인가된 게이트 신호(GS)에 따른 아발란치 증폭의 크기를 설명하기 위한 도면이다.
제 1 수광부(APD1)의 항복 전압이 VB1이고, 제 2 수광부(APD2)의 항복 전압이 VB2일 경우, 게이트 신호(GS)의 제 1 전압(Vgh)은 VB1 및 VB2보다 높다. 이 경우 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2) 모두 가이거 모드로 동작하게 된다.
이때, VB2가 VB1보다 더 높기 때문에, VB1과 게이트 신호(GS)의 제 1 전압(Vgh) 간의 차전압(ΔV1; 즉, 차전압의 절대값)은 충분히 큰 반면, VB2와 그 게이트 신호(GS)의 제 1 전압(Vgh) 간의 차전압(ΔV2; 즉, 차전압의 절대값)은 상당히 작다. 따라서, 제 1 수광부(APD1)의 아발란치 증폭은 상당히 큰 반면, 제 2 수광부(APD2)의 아발란치 증폭은 상당히 작다. 다시 말하여, 제 1 수광부(APD1)는 가이거 모드로 동작하므로 이의 아발란치 증폭은 큰 반면, 제 2 수광부(APD2)는 제 1 수광부(APD1)의 가이거 모드에서의 역바이어스 상태 보다 더 낮은 역바이스 상태에서 동작되므로 제 2 수광부(APD2)의 아발란치 증폭은 작다. 즉, 제 2 수광부(APD2)의 아발란치 증폭은 가이거 모드로 동작하는 제 1 수광부(APD1)의 아발란치 증폭에 비하여 상당히 작다.
이와 같이 제 2 수광부(APD2)의 아발란치 증폭이 작기 때문에 제 2 수광부(APD2)의 암계수 발생 확률은 감소한다. 그리고, 제 2 수광부(APD2)의 암계수 발생 확률이 감소함에 따라, 이 제 2 수광부(APD2)로부터의 노이즈 펄스가 감소한다. 제 2 수광부(APD2)로부터의 노이즈 펄스는 제 1 수광부(APD1)의 출력에 영향을 줄 수 있으므로, 제 2 수광부(APD2)로부터의 노이즈 펄스가 감소하면 제 1 수광부(APD1) 출력의 신뢰성이 향상될 수 있다.
또한, 제 2 수광부(APD2)의 노이즈 펄스가 감소하면, 게이트 신호(GS)에 의한 제 2 수광부(APD2)의 출력은 이 제 2 수광부(APD2)의 고유의 정전 용량성 응답 신호에 더욱 근접할 수 있다. 다시 말하여, 제 2 수광부(APD2)의 노이즈 펄스가 감소함에 따라, 제 2 수광부(APD2)의 출력으로부터 더 정확한 크기 및 형태의 정전 용량성 응답 신호가 검출될 수 있다.
한편, 제 1 수광부(APD1)의 항복 전압이 VB1이고, 제 2 수광부(APD2)의 항복 전압이 VB2'일 경우, 게이트 신호(GS)의 제 1 전압(Vgh)은 VB1보다 높고, VB2'보다 낮다. 다시 말하여, V2B'는 게이트 신호(GS)의 제 1 전압(Vgh)보다 더 높다. 따라서, 제 1 수광부(APD1)는 가이거 모드로 동작하는 반면, 제 2 수광부(APD2)는 가이거 모드로 동작하지 않는다.
이 경우, 가이거 모드로 동작하지 않는 제 2 수광부(APD2)로부터 제 2 수광부(APD2)의 정전 용량성 응답 신호를 확인할 수 있다. 한편, 제 1 수광부(APD1)로부터 출력되는 신호에는 아발란치 신호와 제 2 수광부(APD2)의 정전 용량성 응답 신호가 포함된다. 제 1 수광부(APD1)의 정전 용량성 응답 신호와 제 2 수광부(APD2)의 정전 용량성 응답 신호가 실질적으로 동일한 경우에는 제 1 수광부(APD1)로부터 출력되는 신호와 제 2 수광부(APD2)로부터 출력되는 신호를 이용하여 제 1 수광부(APD1)로부터 출력되는 아발란치 신호를 검출할 수 있다.
도 6은 아발란치 포토 다이오드의 증폭층 두께에 따른 항복 전압의 변화를 나타낸 특성 곡선이다.
도 6의 특성 곡선에서 X축은 아발란치 포토 다이오드의 증폭층의 두께를 나타내며, Y축은 아발란치 포토 다이오드의 항복 전압의 크기를 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이, 아발란치 포토 다이오드의 증폭층의 두께가 제 1 영역(A1)에 위치할 때, 그 아발란치 포토 다이오드의 항복 전압은 증폭층의 두께에 반비례한다. 다시 말하여, 특성 곡선의 제 1 영역(A1)에서 아발란치 포토 다이오드의 항복 전압은 증폭층의 두께에 반비례한다. 따라서, 이 제 1 영역(A1)에서 증폭층의 두께가 증가할수록 항복 전압은 감소한다.
반면, 아발란치 포토 다이오드의 증폭층의 두께가 제 2 영역(A2)에 위치할 때, 그 아발란치 포토 다이오드의 항복 전압은 증폭층의 두께에 비례한다. 다시 말하여, 특성 곡선의 제 2 영역(A2)에서 아발란치 포토 다이오드의 항복 전압은 증폭층의 두께에 비례한다. 따라서, 이 제 2 영역(A2)에서 증폭층의 두께가 증가할수록 항복 전압은 증가한다.
일반적으로 단일광자검출 등에 사용되는 아발란치 포토다이오드는 증폭층 두께가 제 2 영역(A2)에 위치하는 경우 좋은 특성을 나타낸다.
도 6에서 Tm1 및 Tm2는 서로 다른 2개의 아발란치 포토 다이오드의 증폭층의 두께들을 나타낸 것으로, 이들 Tm1 및 Tm2는 특성 곡선의 제 2 영역(A2)에 위치한다. 예를 들어, Tm1은 전술된 제 1 수광부(APD1)의 증폭층의 두께일 수 있으며, Tm2는 전술된 제 2 수광부(APD2)의 증폭층의 두께일 수 있다.
도 6에서 VB1은 Tm1에 대응되는 항복 전압을 나타내며, VB2는 Tm2에 대응되는 항복 전압을 나타낸다. 예를 들어, VB1은 전술된 제 1 수광부(APD1)의 항복 전압일 수 있고, VB2는 전술된 제 2 수광부(APD2)의 항복 전압일 수 있다.
이와 같이 아발란치 포토 다이오드의 항복 전압의 크기는 그 아발란치 포토 다이오드에 포함된 증폭층의 두께에 의해 조절 가능하다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 수광부(APD1)의 증폭층의 두께 및 제 2 수광부(APD2)의 증폭층의 두께가 모두 특성 곡선의 제 2 영역(A2)에 포함되는 경우, 제 2 수광부(APD2)가 제 1 수광부(APD1)보다 더 큰 두께의 증폭층을 가질 경우 제 2 수광부(APD2)는 제 1 수광부(APD1)보다 더 높은 항복 전압을 가질 수 있다. 이렇듯, 증폭층의 두께를 통해 제 2 수광부(APD2)가 제 1 수광부(APD1)보다 더 높은 항복 전압을 가지게 함으로써, 동일한 게이트 신호(GS)를 통해 제 1 수광부(APD1)만이 선택적으로 가이거 모드로 동작할 수 있도록 할 수 있다.
도 7a는 본 발명의 도 1의 수광부(APD)의 단면 구조를 나타낸 도면이고, 도 7b는 도 7a에 도시된 화살표 방향으로 수광부(APD)를 바라보았을 때의 제 1 증폭층(707a) 및 제 2 증폭층(707b)의 위치만을 나타낸 평면도이다.
수광부(APD)는, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 기판(700), 제 1 도전층(701a; conducting layer), 제 2 도전층(701b), 제 1 광흡수층(702a; absorption layer), 제 2 광흡수층(702b), 제 1 그레이딩층(703a; grading layer), 제 2 그레이딩층(703b), 제 1 전기장 조절층(704a; field control layer), 제 2 전기장 조절층(704b), 제 1 윈도우층(705a; window layer), 제 2 윈도우층(705b), 제 1 애노드 전극(709a), 제 2 애노드 전극(709b), 제 1 캐소드 전극(710a), 제 2 캐소드 전극(710b), 절연막(715), 차단막(800) 및 반사 방지막(900)(anti-reflection layer)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 필요에 따라 일부 층 또는 막을 선택적으로 제거될 수도 있다.
기판(700)은 소자 분리홈(750)에 의해 정의된 제 1 영역(A1) 및 제 2 영역(A2)을 포함한다. 소자 분리홈(750)은 기판(700)의 서로 마주보는 2개의 변들(11, 22) 사이에 위치할 수 있다. 기판(700)의 서로 마주보는 변들(11, 22)을 각각 제 1 변(11) 및 제 2 변(22)으로 정의하면, 제 1 변(11) 및 제 2 변(22)은 x축 방향으로 서로 마주본다. 제 1 영역(AA1)은 소자 분리홈(750)과 제 1 변(11) 사이에 위치하며, 제 2 영역(AA2)은 소자 분리홈(750)과 제 2 변(22) 사이에 위치한다.
도시되지 않았지만, 본 발명의 수광부(APD)는 소자 분리홈(750) 내에 매립된 소자 분리막을 더 포함할 수 있다. 소자 분리막은 절연 물질을 포함할 수 있다.
기판(700)은 n형 InP(Indium Phosphide)를 포함하는 기판일 수 있다. 또한 기판(700)은 InP를 포함하는 반 절연(semi-insulating) 기판일 수 있다.
제 1 수광부(APD1)는 기판(700)의 제 1 영역(AA1)에 위치하고, 그리고 제 2 수광부(APD2)는 기판(700)의 제 2 영역(AA2)에 위치한다.
제 1 수광부(APD1)는 제 1 도전층(701a), 제 1 광흡수층(702a), 제 1 그레이딩층(703a), 제 1 전기장 조절층(704a), 제 1 윈도우층(705a), 제 1 애노드 전극(709a) 및 제 1 캐소드 전극(710a)을 포함한다. 여기서, 제 1 윈도우층(705a)은 제 1 활성 영역(706a), 제 1 증폭층(707a; multiplication layer) 및 제 1 가드링(708a; guard ring)을 있다.
제 2 수광부(APD2)는, 제 1 수광부(APD1)과 유사하게, 제 2 도전층(701b), 제 2 광흡수층(702b), 제 2 그레이딩층(703b), 제 2 전기장 조절층(704b), 제 2 윈도우층(705b), 제 2 애노드 전극(709b) 및 제 2 캐소드 전극(710b)을 포함한다. 여기서, 제 2 윈도우층(705b)은 제 2 활성 영역(706b), 제 2 증폭층(707b) 및 제 2 가드링(708b)을 포함한다.
제 1 도전층(701a) 및 제 2 도전층(701b)은 기판(700) 상에 위치한다. 예를 들어, 제 1 도전층(701a)은 기판(700)의 제 1 영역(AA1)에 위치하며, 제 2 도전층(701b)은 기판(700)의 제 2 영역(AA2)에 위치한다. 구체적으로, 제 1 도전층(701a)은 기판(700)의 제 1 영역(AA1)과 제 1 광흡수층(702a) 사이에 위치하며, 제 2 도전층(701b)은 기판(700)의 제 2 영역(AA2)과 제 2 광흡수층(702b) 사이에 위치한다.
제 1 도전층(701a) 및 제 2 도전층(701b)은 각각 n형 InP를 포함하는 도전층일 수 있다.
제 1 및 제 2 광흡수층(702a, 702b)은 외부로부터 제공된 광자(photon)를 캐리어(carrier), 예를 들어 전하(electron)로 변환한다.
제 1 광흡수층(702a)은 제 1 도전층(701a) 상에 위치하며, 제 2 광흡수층(702b)은 제 2 도전층(701b) 상에 위치한다. 구체적으로, 제 1 광흡수층(702a)은 제 1 도전층(701a)과 제 1 그레이딩층(703a) 사이에 위치하며, 제 2 광흡수층(702b)은 제 2 도전층(701b)과 제 2 그레이딩층(703b) 사이에 위치한다.
제 1 광흡수층(702a) 및 제 2 광흡수층(702b)은 각각 InGaAs(Indium Gallium Arsenide)를 포함하는 광흡수층일 수 있다. 이와 달리, 제 1 광흡수층(702a) 및 제 2 광흡수층(702b)은 각각 InGaAsP(Indium Gallium Arsenide Phosphide)를 포함하는 광흡수층일 수 있다.
제 1 그레이딩층(703a) 및 제 2 그레이딩층(703b)은, 제 1 및 제 2 광흡수층(702a, 702b)으로부터의 캐리어가 제 1 및 제 2 증폭층(707a, 707b)으로 잘 전달될 수 있도록, 광흡수층(702a, 702b)의 에너지 밴드갭(energy band gap)과 전기장 조절층(704a, 704b)의 에너지 밴드갭 사이의 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 구성된다.
제 1 그레이딩층(703a)은 제 1 광흡수층(702a) 상에 위치하며, 제 2 그레이딩층(703b)은 제 2 광흡수층(702b) 상에 위치한다. 구체적으로, 제 1 그레이딩층(703a)은 제 1 광흡수층(702a)과 제 1 전기장 조절층(704a) 사이에 위치하며, 제 2 그레이딩층(703b)은 제 2 광흡수층(702b)과 제 2 전기장 조절층(704b) 사이에 위치한다.
제 1 그레이딩층(703a)은 y축을 따라 수직으로 적층된 복수의 층들을 포함할 수 있다.
제 2 그레이딩층(703b)은 y축을 따라 수직으로 적층된 복수의 층들을 포함할 수 있다.
제 1 그레이딩층(703a) 및 제 2 그레이딩층(703b)은 각각 복수의 InGaAsP를 포함하는 그레이딩층일 수 있다.
제 1 전기장 조절층(704a)은 제 1 증폭층(707a)의 전기장을 조절하며, 제 2 전기장 조절층(704b)은 제 2 증폭층(707b)의 전기장을 조절한다.
제 1 전기장 조절층(704a)은 제 1 그레이딩층(703a) 상에 위치하며, 제 2 전기장 조절층(704b)은 제 2 그레이딩층(703b) 상에 위치한다. 구체적으로, 제 1 전기장 조절층(704a)은 제 1 그레이딩층(703a)과 제 1 윈도우층(705a) 사이에 위치하며, 제 2 전기장 조절층(704b)은 제 2 그레이딩층(703b)과 제 2 윈도우층(705b) 사이에 위치한다.
제 1 전기장 조절층(704a) 및 제 2 전기장 조절층(704b)은 각각 n형 InP를 포함하는 전기장 조절층일 수 있다.
제 1 증폭층(707a) 및 제 2 증폭층(707b)은 제 1 광흡수층(702a) 및 제 2 광흡수층(702b)으로부터 전달된 전하를 증폭한다.
제 1 증폭층(707a)은 제 1 전기장 조절층(704a) 상에 위치하며, 제 2 증폭층(707b)은 제 2 전기장 조절층(704b) 상에 위치한다. 구체적으로, 제 1 증폭층(707a)은 제 1 전기장 조절층(704a)과 제 1 활성 영역(706a) 사이에 위치하며, 제 2 증폭층(707b)은 제 2 전기장 조절층(704b)과 제 2 활성 영역(706b) 사이에 위치한다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 제 2 증폭층(707b)의 두께(Tm2)는 제 1 증폭층(707a)의 두께(Tm1)보다 더 크다.
또한, 도 7b에 도시된 바와 같이, 평면적으로 제 1 증폭층(707a) 및 제 2 증폭층(707b)은 각각 원의 형상을 가질 수 있는 바, 이때 제 2 증폭층(707b)의 직경(d2)은 제 1 증폭층(707a)의 직경(d1)보다 더 클 수 있다. 한편, 제 1 증폭층(707a) 및 제 2 증폭층(707b)은 원의 형상 외에도 다른 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 증폭층(707a) 및 제 2 증폭층(707b)은 각각 타원의 형상을 가질 수 있다.
제 1 증폭층(707a)의 두께는 제 1 활성 영역(706a)의 확산 깊이, 또는 그 제 1 활성 영역(706a)으로의 이온 주입의 깊이 제어, 또는 에피층(epitaxial layer)의 두께 제어를 통해 제어될 수 있다.
제 2 증폭층(707b)의 두께는 제 2 활성 영역(706b)의 확산 깊이, 또는 그 제 2 활성 영역(706b)으로의 이온 주입의 깊이 제어, 또는 에피층(epitaxial layer)의 두께 제어를 통해 제어될 수 있다.
제 1 활성 영역(706a)의 확산 깊이 및 제 2 활성 영역(706b)의 깊이가 다르면 제 1 증폭층(707a)의 두께와 제 2 증폭층(707b)의 두께가 달라진다. 예를 들어, 제 2 활성 영역(706b)의 깊이가 제 1 활성 영역(706a)의 깊이보다 작을 경우, 제 2 증폭층(707b)의 두께는 제 1 증폭층(707a)의 두께보다 더 커진다.
제 1 수광부(APD1)의 제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1)와 제 2 수광부(APD2)의 제 2 정전 용량성 응답 신호(Cp2) 간의 편차를 최소화하기 위해서는, 제 1 전기장 조절층(704a)과 제 1 활성 영역(706a) 사이의 간격(이하, 제 1 간격)과 제 2 전기장 조절층(704b)과 제 2 활성 영역(706b) 사이의 간격(이하, 제 2 간격)이 거의 동일하게 유지되는 것이 바람직하다. 그러나, 전술된 바와 같이, 제 2 증폭층(707b)의 두께(Tm2)가 제 1 증폭층(707a)의 두께(Tm1)보다 더 클 경우 제 2 간격이 제 1 간격보다 더 커진다. 이에 따라, 제 2 수광부(APD2)의 정전 용량이 줄어들어 제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1)와 제 2 정전 용량성 응답 신호(Cp2) 간의 편차가 증가할 수 있다.
한편, 제 2 증폭층(707b)의 직경(d2)이 증가할 경우 전술된 제 2 수광부(APD2)의 정전 용량이 증가할 수 있다. 따라서, 제 2 증폭층(707b)의 두께(Tm2) 변화에 맞춰 그 제 2 증폭층(707b)의 직경(d2)이 증가하면, 제 2 간격이 제 1 간격보다 더 큼에도 불구하고 제 2 수광부(APD2)의 정전 용량과 제 1 수광부(APD1)의 정전 용량이 실질적으로 동일하게 유지될 수 있다. 결국, 제 2 증폭층(707b)의 두께(Tm2) 및 직경(d2)이 제 1 증폭층(707a)의 두께(Tm1) 및 직경(d2)보다 더 클 경우, 제 2 정전 용량성 응답 신호(Cp2)는 제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1)와 실질적으로 동일한 크기를 가질 수 있다.
제 1 증폭층(707a) 및 제 2 증폭층(707b)은 각각 n형 InP를 포함하는 증폭층일 수 있다.
제 1 활성 영역(706a)은 제 1 증폭층(707a) 상에 위치하며, 제 2 활성 영역(706b)은 제 2 증폭층(707b) 상에 위치한다.
제 1 활성 영역(706a) 및 제 2 활성 영역(706b)은 각각 p형 InP를 포함하는 활성 영역일 수 있다.
제 1 가드링(708a)은 제 1 활성 영역(706a)의 외곽에 전계가 집중되는 전기장의 피크를 감소시키며, 제 2 가드링(708b)은 제 2 활성 영역(706b)의 외곽에 전계가 집중되는 전기장의 피크를 감소시킨다.
제 1 가드링(708a)은 제 1 활성 영역(706a)을 둘러싼다. 이를 위해, 제 1 가드링(708a)은 제 1 활성 영역(706a)을 둘러싸는 폐곡선 또는 링(ring) 형상을 가질 수 있다.
제 2 가드링(708b)은 제 2 활성 영역(706b)을 둘러싼다. 이를 위해, 제 2 가드링(708b)은 제 2 활성 영역(706b)을 둘러싸는 폐곡선 또는 링 형상을 가질 수 있다.
절연막(715)은 제 1 윈도우층(705a), 제 2 윈도우층(705b) 및 소자 분리홈(750) 상에 위치한다.
절연막(715)은 제 1 활성 영역(706a), 제 2 활성 영역(706b), 제 1 윈도우층(705a) 및 제 2 윈도우층(705b)의 일부를 노출시키는 비아홀들을 갖는다.
제 1 애노드 전극(709a)은 제 1 활성 영역(706a)을 노출시키는 비아홀을 통해 제 1 활성 영역(706a)에 연결되며, 제 2 애노드 전극(709b)은 제 2 활성 영역(706b)을 노출시키는 비아홀을 통해 제 2 활성 영역(706b)에 연결된다.
제 1 캐소드 전극(710a)은 제 1 윈도우층(705a)을 노출시키는 비아홀을 통해 제 1 윈도우층(705a)에 연결되며, 제 2 캐소드 전극(710b)은 제 2 윈도우층(705b)을 노출시키는 비아홀을 통해 제 2 윈도우층(705b)에 연결된다.
기판(700)의 서로 마주보는 2개의 면들(10, 20)을 각각 제 1 면(10) 및 제 2 면(20)으로 정의하자. 제 1 면(10) 및 제 2 면(20)은 y축 방향으로 서로 마주본다. 전술된 제 1 도전층(701a) 및 제 2 도전층(701b)은 그 기판의 제 1 면(10) 상에 위치한다. 그리고, 차단막(800)은 그 기판(700)의 제 2 면(20) 상에 위치한다. 이때, 차단막(800)은 제 1 증폭층(707a)에 대응되게 위치한 투과홀(850)을 갖는다. 다시 말하여, 차단막(800)은 제 1 영역(AA1)에 대응되게 위치한 투과홀(850)을 갖는다.
차단막(800)은 제 2 증폭층(707b)에 중첩한다. 기판(700)의 제 2 영역(AA2)은 차단막(800)과 제 2 증폭층(707b) 사이에 위치한다.
이 차단막(800)으로 인해, 외부로부터의 광 또는 광자는 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2) 중 제 1 수광부(APD1)에만 입사될 수 있다.
반사 방지막(900)은 투과홀(850) 내에 위치한다. 외부로부터의 광 또는 광자는 투과홀(850) 내의 반사 방지막(900)을 통해 제 1 수광부(APD1)로 제공된다.
한편, 본 발명의 수광부(APD)는 제 1 애노드 전극(709a)과 제 1 활성 영역(706a) 사이에 위치한 오믹 콘택층(731a), 제 1 캐소드 전극(710a)과 제 1 윈도우층(705a) 사이에 위치한 오믹 콘택층(732a), 제 2 애노드 전극(709b)과 제 2 활성 영역(706b) 사이에 위치한 오믹 콘택층(731b) 및 제 2 캐소드 전극(710b)과 제 2 윈도우층(705b) 사이에 위치한 오믹 콘택층(732b) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 광자 검출 장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 제 2 수광부는 광 또는 광자가 입사되는 제 1 수광부보다 더 높은 항복 전압을 갖는다. 따라서, 동일한 크기의 게이트 신호에 대하여 제 1 수광부는 가이거 모드로 동작하는 반면, 제 2 수광부는 가이거 모드로 동작하지 않는다. 즉, 제 2 수광부는 가이거 모드에서의 역바이어스 상태 보다 더 낮은 역바이스 상태에서 동작되므로 제 2 수광부의 아발란치 증폭은 작다. 따라서, 제 2 수광부의 암계수 발생 확률은 감소하며, 이에 따라 제 2 수광부로부터의 노이즈 펄스가 감소하며, 결국 이 노이즈 펄스에 영향을 받는 제 1 수광부 출력의 신뢰성이 향상될 수 있다.
둘째, 제 2 수광부의 노이즈 펄스가 감소하므로, 제 1 수광부 및 제 2 수광부가 하나의 동일한 기판 상에 제조될 수 있다. 따라서, 제 1 수광부의 특성 및 제 2 수광부의 특성이 실질적으로 동일하게 유지될 수 있다. 즉, 제 1 수광부 및 제 2 수광부 간의 특성 편차가 최소화될 수 있다.
셋째, 제 2 수광부의 노이즈 펄스가 감소함에 따라, 제 2 수광부로부터 더 정확한 크기 및 형태의 정전 용량성 응답 신호가 검출될 수 있다.
넷째, 제 1 수광부의 정전 용량성 응답 신호와 제 2 수광부의 정전 용량성 응답 신호가 실질적으로 동일한 특성을 가지므로 작은 아발란치 증폭에 의해 발생된 아발란치 신호도 정확하게 검출될 수 있다.
다섯째, 제 1 수광부의 아발란치 증폭을 작게 하여도 디지털 신호 검출이 가능하므로 애프터펄스 노이즈가 감소할 수 있다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 광자 검출 방법을 나타낸 도면이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 광자 검출 방법은, 광자가 수신되며 제 1 항복 전압을 갖는 제 1 수광부로(APD1)부터 게이트 신호 공급에 따른 제 1 신호를 수신하는 단계(S100), 상기 제 1 항복 전압 보다 높은 제 2 항복 전압을 갖는 제 2 수광부(APD2)로부터 상기 게이트 신호(GS) 공급에 따른 제 2 신호를 수신하는 단계(S110); 및 상기 제 1 신호와 상기 제 2 신호를 근거로 광자의 수신 여부를 판단하는 단계(S120)를 포함한다.
게이트 신호(GS)는, 활성화 기간에서는 제 1 전압으로 유지되고, 상기 활성화 기간을 제외한 나머지 비활성화 기간에서는 상기 제 1 전압 보다 낮은 제 2 전압으로 유지될 수 있다.
게이트 신호(GS)는 게이트 신호 발생부(102)로부터 출력될 수 있다.. 예를 들어, 게이트 신호 발생부(102)는 펄스 형태 또는 사인파 형태의 게이트 신호(GS)를 출력할 수 있다.
게이트 신호 발생부(102)로부터 출력된 게이트 신호(GS)는 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2)로 공급된다.
게이트 신호 발생부(102)로부터의 게이트 신호(GS)에 의해 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2) 중 적어도 하나는 게이티드 가이거 모드(gated Geiger mode; 이하, 가이거 모드)로 동작한다.
제 2 수광부(APD2)의 항복 전압이 제 1 수광부(APD1)의 항복 전압보다 더 높은 경우, 동일한 크기의 게이트 신호(GS)가 제 1 수광부(APD1) 및 제 2 수광부(APD2)에 인가될 때, 제 1 수광부(APD1)만이 선택적으로 가이거 모드로 동작될 수 있다.
다시 말하여, 제 2 수광부(APD2)의 항복 전압이 제 1 수광부(APD1)의 항복 전압보다 더 높은 경우, 동일한 크기의 게이트 신호(GS)에 대하여 제 1 수광부(APD1)는 가이거 모드로 동작하는 반면 제 2 수광부(APD2)는 가이거 모드로 동작하지 않을 수 있다. 예를 들어, 게이트 신호(GS)의 크기가 제 1 수광부(APD1)의 항복 전압보다는 높고 제 2 수광부(APD2)의 항복 전압보다는 낮은 경우, 제 1 수광부(APD1)는 가이거 모드로 동작하는 반면 제 2 수광부(APD2)는 가이거 모드로 동작하지 않을 수 있다.
제 1 수광부(APD1)로부터의 제 1 신호(즉, 아발란치 신호(Av) 및 제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1))와 제 2 수광부(APD2)로부터의 제 2 신호(즉, 제 2 정전 용량성 응답 신호(Cp2))를 근거로 광자의 수신 여부를 판단한다.
제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1)와 제 2 정전 용량성 응답 신호(Cp2)가 실질적으로 동일한 크기를 가지므로, 제 1 신호(S1)와 위상 반전된 제 2 신호(S2)가 합성되면 제 1 신호(S1)의 아발란치 신호(Av)만이 검출된다.
즉, 위상 반전된 제 2 신호(S2)의 제 2 정전 용량성 응답 신호(Cp2)는 제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1)와 크기는 같지만 극성은 상이하므로, 동일한 크기(절대값 기준으로 동일한 크기)의 제 1 정전 용량성 응답 신호(Cp1)와 제 2 정전 용량성 응답 신호(Cp2)의 합은 실질적으로 0이다. 따라서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제 1 신호(S1)와 위상 반전된 제 2 신호(S2) 간의 합성에 의해 생성된 신호(즉, 차동부(103)의 출력 신호)는 아발란치 신호(Av)이다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (20)

  1. 게이트 신호를 공급받아 제 1 신호를 출력하는 제 1 수광부;
    상기 게이트 신호를 공급받아 제 2 신호를 출력하는 제 2 수광부; 및
    상기 제 1 수광부로부터 수신되는 제 1 신호와 상기 제 2 수광부로부터 수신되는 제 2 신호를 근거로 광자의 수신 여부를 판단하는 판단부를 포함하며;
    광자가 수신되는 상기 제 1 수광부의 항복 전압은 상기 제 2 수광부의 항복 전압 보다 낮은 광자 검출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 신호는,
    활성화 기간에서는 제 1 전압으로 유지되고, 상기 활성화 기간을 제외한 나머지 비활성화 기간에서는 상기 제 1 전압 보다 낮은 제 2 전압으로 유지되는 광자 검출 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전압은,
    상기 제 1 수광부의 항복 전압 보다 높고 상기 제 2 수광부의 항복 전압 보다 낮거나 또는 상기 제 1 수광부의 항복 전압 및 상기 제 2 수광부의 항복 전압 보다 높은 광자 검출 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 판단부는,
    상기 제 2 신호를 위상 반전하여 상기 제 1 신호와 합성하여 생성되는 신호를 근거로 광자의 수신 여부를 판단하는 광자 검출 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 신호는,
    광자의 수신에 기인한 신호와 상기 제 1 수광부에 기인한 신호를 포함하고,
    상기 제 2 신호는
    상기 제 2 수광부에 기인한 신호를 포함하는 광자 검출 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 수광부에 기인한 신호는,
    상기 제 1 수광부의 정전 용량에 기인한 제 1 정전 용량성 응답 신호이며,
    상기 제 2 수광부에 기인한 신호는,
    상기 제 2 수광부의 정전 용량에 기인한 제 2 정전 용량성 응답 신호이며,
    상기 제 1 정전 용량성 응답 신호는 상기 제 2 정전 용량성 응답 신호와 실질적으로 동일한 광자 검출 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 수광부에 포함되는 증폭층과 상기 제 2 수광부에 포함되는 증폭층은 서로 다른 두께를 갖는 광자 검출 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    증폭층의 두께와 항복 전압의 크기가 비례하는 경우, 상기 제 2 수광부에 포함되는 증폭층은 상기 제 1 수광부에 포함되는 증폭층보다 더 큰 두께를 갖는 광자 검출 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 수광부에 포함되는 증폭층과 상기 제 2 수광부에 포함되는 증폭층은 서로 다른 직경을 갖는 광자 검출 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 수광부에 포함되는 증폭층은 상기 제 1 수광부에 포함되는 증폭층보다 더 큰 직경을 갖는 광자 검출 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 수광부 및 상기 제 2 수광부가 형성된 기판을 포함하는 광자 검출 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 수광부 및 상기 제 2 수광부는 상기 기판의 제 1 면 상에 위치하는 광자 검출 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 기판의 제 1 면과 마주보는 상기 기판의 제 2 면 상에 위치한 차단막을 더 포함하는 광자 검출 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 차단막은,
    상기 제 1 수광부에 대응되게 위치한 투과홀을 포함하는 광자 검출 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 투과홀 내에 위치한 반사 방지막을 더 포함하는 광자 검출 장치.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 기판의 제 1 면은 상기 제 1 수광부와 상기 제 2 수광부 사이의 소자 분리홈에 의해 구분된 제 1 영역 및 제 2 영역을 포함하며;
    상기 제 1 수광부는 상기 제 1 영역에 위치하고, 상기 제 2 수광부는 상기 제 2 영역에 위치하는 광자 검출 장치.
  17. 광자가 수신되며 제 1 항복 전압을 갖는 제 1 수광부로부터 게이트 신호 공급에 따른 제 1 신호를 수신하는 단계;
    상기 제 1 항복 전압 보다 높은 제 2 항복 전압을 갖는 제 2 수광부로부터 상기 게이트 신호 공급에 따른 제 2 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 제 1 신호와 상기 제 2 신호를 근거로 광자의 수신 여부를 판단하는 단계를 포함하는 광자 검출 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 게이트 신호는,
    활성화 기간에서는 제 1 전압으로 유지되고, 상기 활성화 기간을 제외한 나머지 비활성화 기간에서는 상기 제 1 전압 보다 낮은 제 2 전압으로 유지되는 광자 검출 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 전압은,
    상기 제 1 수광부의 항복 전압 보다 높고 상기 제 2 수광부의 항복 전압 보다 낮거나 또는 상기 제 1 수광부의 항복 전압 및 상기 제 2 수광부의 항복 전압 보다 높은 광자 검출 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 신호와 상기 제 2 신호를 근거로 광자의 수신 여부를 판단하는 단계는,
    상기 제 2 신호를 위상 반전하여 상기 제 1 신호와 합성하여 생성되는 신호를 근거로 광자의 수신 여부를 판단하는 광자 검출 방법.
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